专 业 推 荐
↓
精 品 文 档
特里·奎恩
(国际计量局，法国巴黎92312)
【摘 要】 国际单位制是在米制基础上发展起来的，其基本单位是以国际单位原器为基准定义的.由于国际单位原器相对不稳定性，国际基本单位及其导出单位也存在一定的不确定度.因此，对国际基本单位进行了重新定义并给出了新定义的实现方法，建议在此基础上建立新国际单位制.新定义更多地采用了相对精确的基本常数，提高其相对标准精度. 【关键词】 国际单位制；基本单位；国际原器；不确定度
【中图分类号】 T H701 【文献标识码】 A
The ne w SI—a milestone for the foundation of base units
Terry Quinn
(Bureau International des Poids et Mesures,Paris92312,France)
Abstract:The SI was developed on the base of the metric system.The base units of the SI were defined in term of the international prototypes.The unstability of the international prototypes leads to the uncertainty of the base units.The redefinition to the base units and the experiments to realize them were presented by the author.The author suggested to establish the new SI based on the new definitions.Adopted more constant values with reliable value,the new SI has less relative standard uncertainty.
K ey w ords:le Système international dπunités(SI);base unit;international prototype;standard uncertainty; redefinition
1 国际单位制基本单位及其关系人们日常生活的所有方面几乎都依赖精确而可靠的测量，而只有以与基本物理常数紧密联系的单位系统为基础的测量才是准确定的.
麦克斯韦尔曾经说过:“我们通常的感觉是地球的体积和自转时间长短都是恒定不变的，但是从物理测
量的角度来说并非如此.地球也可能遇冷收缩，或者由于覆盖了一层陨石而增大，其转动速度可能会有一点减慢，然而地球还是那颗地球.但是对于分子来说，如氢分子，如果其质量或者振动时间有了一点点的改变，就不再是氢分子了.如果希望获得绝对稳定的长度、时间和质量的标准，我们不能通过地球的体积、运动状态或质量来获
得，但是，可以通过那些稳定不变、完全相似的分子的波长、振动周期和绝对质量来获得[2].”
可是，当时的科学技术还不够发达，不能实现麦克斯韦尔的预言；只有到了21世纪初，我们才能够真正地在计量单位基础上来考虑基本物理量，而这也正是我们希望在2011年之前所要做的事情.
国际单位制(SI )的基本单位共分9大类，其中已经定义的单位有7类，他们分别是质量单位千克，长度单位米，时间单位秒，热力学温度单位开尔文，电流单位安培，物质的量的单位摩尔，发光强度单位坎德拉.它们的关系如图1[1]
.
图1 SI 基本单位及其相互联系
Figure 1 Base units of the SI and their relationships
SI 系统中除7个基本单位以外，其它单位都
由这7个基本单位导出.图2是SI 系统中导出单
位与7个基本单位的相互关系及其相对不确定度.图中每个单位旁边的数字表示该单位的相对不确定度
.
图2 SI 导出单位及其相互关系
2 千克国际原器的不确定度中国达人秀微博
千克是国际单位制7个基本单位之一，千克的基准值是国际千克原器.国际千克原器于1889年使用铂铱合金浇铸而成，严密地保管在位于巴黎的国际计量局(BIPM )里，该标准物一直担负着校正各国质量标准的任务.各国的千克原器复制品都必须与之相一致.由于保存过程中物质的消耗与磨损，各国的千克原器的准确性会受到影响，因而需要定期与国际千克原器进行校准.图3是假定国际千克原器是绝对不变时，若干国家千克原器在100年间校准的误差曲线
，其偏差范围在10-8.
图3 各国千克原器的校正误差(国际千克原器绝对不变)
Figure 3 Verification errors of national kilogram proto 2
types (the international kilogram prototype are absolutely stable )
然而国际千克原器与其他物质一样，尽管保存得非常完好，但也存在消耗与磨损，基本单位的准确性会也会受到影响.如果千克国际原器随着时间的推移而发生改变，则其他国家千克原器的校准误差可能会更大(图4).国际单位原器的不稳定性大大增加了千克标准的不确定度[3].
3 SI 基本单位的重新定义
国际单位制是在米制基础上发展起来的，于1960年第11届国际计量大会通过.分别以铂铱合金的米尺、铯原子钟和国际千克原器为基准对米、秒和千克进行定义.随着科技的进步，目前已放弃了铂铱合金的米尺国际原器，改由恒定不变的光速来定义米；同样，如果我们能通过实验直接测量de Broglie 2Compton 频率，就可以通过频率和普朗克常数来测量物质的质量.这对于原子是很容易实现的，而对宏观物质实施起来要困难一
乌鲁木齐亚欧博览会
图4 各国千克原器的校正误差
(国际千克原器改变)
Figure 4 Verification errors of national kilogram
prototypes (the international kilogram prototype unstable )
较，这样我们可以将宏观物质与普朗克常数联系起来.也就是说，我们可以测量h/m K ,m K 是国际千克原器的质量.这种装置就是著名的瓦特天平，是由英国国家物理实验室(N PL )的布朗-基波在1974年发明的.
其具体方法是:
1)制作一个高纯度的单晶28Si 球体2)测量其直径并计算其体积
3)硅原子之间的距离事先已测定，据此可以计算出硅原子的数量和Avogadro 常数N A
4)测量其质量(kg )
5)通过下面的下列公式(1)～(4)计算出单个28Si 原子的质量
n =
m sph m 28Si
=
m sph m K
m K m 12C
m 12C m 28Si
(1)n =8V a 3 V =球体体积a 3=单个晶体的体积(2)
m 12C m K
=
m sph m K
m 12C m 28Si a 3
8V
=0.012/N A (3)
n ：球体中28
Si 原子数m sph ：球体的质量m 28Si ：硅原子量m K ：千克原器m 12C ：碳原子量
采用X 2射线晶体密度法(XRCD )可以测定
N A ，从而计算出28
Si 原子的质量m 28Si
因为28Si 原子的质量是不变的，目前已经依
普朗克常数h 与阿夫加德罗常数N A 有以下关系式:
h =
cA r (e )M u
α22R ∞N A
(4)上式中除了h 和N A 外，其他常数的相对标准不确定度都小于10∃9.
通过瓦特天平测量的普朗克常数与通过硅晶体密度测量阿夫加德罗常数后得到的普朗克常数有一定差异，差异度大约是10-6.
图5是阿夫加德罗常数的测定历史，可以看出，到2005年，美国国家标准技术研究院(N IST )采用瓦特天平法的测量不确定度为1.1×10-6.如果要在2011年重新定义SI 的基本单位，这个偏差必须在2010年之前得到解决.
图5 普朗克常数测量的历史
Figure 5 History of measurements of the Planck constant
可靠的普朗克常数值是新SI 的关键.通过恒定的h 值，我们不仅能够重新定义千克，同时，依据恒定的电子电荷，可以重新定义安培；通过恒定的阿夫加德罗常数N A ，可以重新定义摩尔；通过恒定的h 和e ，利用约瑟夫效应能够建立SI 电压(与2e/h 成正比)，利用量子2霍尔效应建立SI 电阻(R K =h/e 2).通过恒定的波尔茨曼常数可以重新定义开尔文K ,K 将机械能与热能联系起来.
R K 的值也通过定量的霍尔电阻来测量:
R H (i )=R K /i ,
(5)
式(5)中i 为整数，电阻R 的值以SI 单位Ω来表示.实际中，后者的量，即R/Ω的比值，是通过计算电容，
一种基于静电定理的装置来测定.该定理可以设计一个柱形电容，一般称作Thompson 2Lampard 计算电容，根据其长度可以获得高精度电容量.
假定R K =h/e 2，那么R K 与精细结构常数α
α
=μ0c/2R K
(6)
因此,α值的相对不确定度与R K 的相对不确
定度相同.
当然，比较以计算电容测定的R K 值和以公式(6)计算的R K 值(其中α值由其它实验或者计算获得)，可以对量子2霍尔关系式进行验证.计算电容的不确定度为10-8.
而对于Josep hson 常数K J 不存在这样的基本关系，因此我们不得不依赖实际测量，因为该常数在1960s 初才发现，没有理论对关系式(7)进行预测和校正.
K J =2e/h
(7)BIPM 的测试结果保持在至少10-17水平，因
而在事实上可以假定它是恒定的.
K J 的值也可以通过比较Josep hson 电压与高电压U 来测定.
U J (n )=nf /K J
U 值的单位是SI 单位V ,n 取整数,f 是作用
于Jo sep hso n 装置上的微波辐射的频率.
在实际应用中,U/V 的比值，是通过平衡由电压U 与已知的重力产生的库仑力来测定的.该实验的不确定度相对较大，达到10-7，不能真正实现对Jo sep hson 方程的检测.
1990年，国际度量衡委员会(CIPM )为K J 和R K 引入了通用值，作为电计量学的电压和电阻的参考值，用K J -90和R K -90表示:
师生关系
K J -90=483597.9GHz/V R K -90=25812.807Ω
利用K J -90和R K -90可以建立电压和电阻的实用单位:
V 90=(K J -90/K J )V
Ω90=(R K-90)Ω.从V 90和Ω90还可以推导出很多的其他单位，如:A 90=V 90Ω90,C 90=A 90s ,W 90=A 90V 90,F 90
=C 90/V 90,H 90=Ω90s ，分别作为电流、电荷、功、电容和电导的实际通用单位
K J 与K J -90,R K 与R K -90的关系，在2006年CODA TA (国际科技数据委员会)修正版中表示为:
现实主义法学K J =K J -90[1-1.9(2.5)×10
-8
企业家天地杂志社]R K =R K -90[1+2.159(68)×10
-8
]
相应的可以推导出以下关系式:
V 90=[1+1.9(2.5)×10-8
]V Ω90=[1+2.159(68)×
10-8]ΩA 90=[1-0.3(2.5)×10-8
]A C 90=[1-0.3(2.5)×10
-8
]C W 90=[1+1.6(5.0)×10
-8]W F 90=[1-2.159(68)×10
-8
]F H 90=[1+2.159(68)×10
-8
]
H
自1990年以来，这些通用值构成了精确电计量的基础.对于SI ,V 90和Ω90的不确定度分别为4×10-7和1×10-7，比他们重复性还是要高2个
数量级.因此，自1990年以来，电计量学所用的伏特和欧姆的参考值并非严格的SI 基本单位.
表1是对新SI 基本单位及其重新定义.对长度、质量、电流、热力学温度和物质的量的基本单位新定义有了较大的改变，新定义更多地采用了相对精确的基本常数，因而降低了其相对标准不确定度，如图6[4].
表1 SI 的基本单位及其定义
Table 1 Base units and their definition of SI
量符号
基本单位符号
目前的定义
新定义
时间t 秒s
固定Δ
ν(hf s Cs )，铯原子超精细分裂固定Δ
ν(hf s Cs )，铯原子超精细分裂长度x 米m 固定c 0，光在真空中的速度固定c 0，光速质量m 千克kg 固定m K 国际原器的质量
固定h ，普朗克常数电流I 安培A 固定μ0，磁常数固定e ，基本电荷热力学温度T 开尔文K 固定T TPW ，水三相点的温度固定k B ，波尔茨曼常数物质的量n 摩尔mol 固定M (12C ),12C 的摩尔质量固定N A ，阿夫加德罗常数发光强度
L
坎德拉
cd
固定L (光源)，特殊光源的发光效率
sas软件固定L (光源)，特殊光源的发光效率
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议